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Einrichtung zur Auswertung von Interferogrammen für Oberflächendeformationen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Auswertung von Interferogrammen, die
der Messung von Oberflächendeformationen dienen, wobei die zu untersuchende Oberfläche
mit mindestens zwei zueinander geneigten ebenen Beleuchtungswellen beleuchtet wird,
welche mindestens beim ersten der beiden zu vergleichenden Objektzustände beide
die Frequenz Co aufweisen.
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Derartige Einrichtungen sind bekannt z.B. aus Proc.Symp.
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Applications of Holography, Besancon, 6-11 July 1970, Paper 5-2 (Luxmoore,
Hause); Optical Instr. and Techniques, Reading, 14-16 July 1969, Seiten 256-264
(Leendertz); Proc.Symp. Applications of Holography, Besancon, 6-11 July 1970, Paper
5-1 (Boone).
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In allen Fällen wird das Objekt in seinen beiden zu vergleichenden
Zuständen mit wei zur Oberflächennormalen symmetrisch geneigten, ebenen Wellen beleuchtet.
Jedoch erfolgt der Vergleich der Objektzustände, d. h. die Erzeugung des Interferogrammes,
nach der erstgenannten Literaturstelle durch holographische Interferometrie, nach
der zweitgenannten Literaturstelle durch die Ueberlagerung der Speckle-Muster der
beiden Objekt zustände, und nach der drittgenannten Literaturstelle durch Anwendung
der Moire-Technik. Die bekannten Einrichtungen zeichnen sich gegenüber den üblichen
holographischen Mehrfachbelichtungs-Interferogramm-Einrichtungen dadurch aus, dass
sie auch solche Objektdeformationen durch die Bildung von Interferenzstreifen in
der Beobachtungsebene anzeigen, die in der Ebene des deformierten Objektes liegen.
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Bei den bekannten Einrichtungen besteht jedoch das Problem, dass man
die Interferenzstreifenmuster nur sehr ungenau auswerten kann. In der Regel kann
man nur die Streifen abzählen, bestens falls noch durch sorgfältiges Ausmessen der
Intensität innerhalb eines Streifens interpolieren. Damit wird aber nur ein Bruchteil
der Informationen, die in dem Streifenmuster enthalten sind, ausgenutzt. Die Bildung
der ersten oder auch höherer Ableitungen der Oberflächendeformationen nach dem Ort,
die beispielsweise in der Elastomechanik benötigt werden (vgl.z.B. Joos, Lehrbuch
der theoretischen Physik, 9.Auflage, Seite 144ff), ist praktisch unmöglich.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, dass das durch den Vergleich der beiden Objektzustände-entstehende
Interferenzmuster schnell und zuverlässig bei gleichzeitig hoher Genauigkeit ausgewertet
werden kann. Insbesondere soll auch die erste Ableitung der Objektdeformation nach
den Ortskoordinaten schnell, einfach und genau ermittelt werden können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss bei der Erzeugung
des Interferogrammes das durch Streuung der ersten Beleuchtungswelle an dem Objekt
in seinem
zweiten Zustand erzeugte Wellenfeld die Frequenz #1, und
das durch Streuung der zweiten Beleuchtungswelle an dem Objekt in seinem zweiten
Zustand erzeugte Wellenfeld die Frequenz(o2 besitzt, wobei und #2 sich um eine im
Verarbeitungsbereich optoelektronischer Detektoren liegende endliche Differenzfrequenz
unterscheiden, und dass ein optoelektronischer Detektor vorgesehen ist, mittels
welchem das Interferogramm in einer Bildebene abtastbar ist, und welcher zur Messung
der Phase des detektierten Wechselsignals ausgebildet ist.
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Die bekannten Einrichtungen sind durch die Erfindung also so modifiziert,
dass zwar die Aufnahme des Objektes in seinem ersten Zustand, d.h; vor der Deformation,
unverändert mit derselben Frequenz #0 für alle Beleuchtungswellen erfolgt, für die
Beobachtung nach der Deformation jedoch verschiedene Frequenzen, z.B. #1 = #0 +
#1 und #2 = #0 + #2, für die Beleuchtungswellen verwendet werden. Dabei sind W1
und, optische Frequenzen, liegen also jedenfalls oberhalb 6 . 1012 Hz (# # 50µ),
und #1 und #2 konstante Frequenzverschiebungen derart, dass #1 - #2 = #1 - #2 von
optoelektronischen Detektoren verarbeitet werden kann.
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#1 - W2 ist also jedenfalls kleiner als etwa 1 GHz.
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Ggfs. kann #1 = #2 sein. Entwender #1 oder #2 können aber auch null
sein.
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Durch die genannten Massnahmen erhält man im Bild des Objektes ein
Interferenzsignal bei der Schwebungsfrequenz (R 1-R ), dessen Phase die Verschiebung
in der Oberfläche des Objektes angibt.
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#0, #1 und2 betragen typisch : 3 ' 1014 bis 8 1014 Hz., : = 10 bis
106 Hz, #2 = 10 bis 106 Hz.
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Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend
anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt: Fig.l eine Einrichtung,
bei welcher der erste Objekt zustand auf einem Hologramm holographisch gespeichert
wird, und das Interferogramm dann durch Ueberlagerung der am Objekt in seinem zweiten
Zustand gestreuten Wellenfelder mit den holographisch rekonstruierten Wellenfeldern
des ersten Objektzustandes in Echtzeit erzeugt wird,
Fig.2 eine
Einrichtung, bei welcher die Wellenfelder beider Objektzustände mittels dreier zueinander
geneigter Referenzwellen holographisch gespeichert sind, Fig.3 eine Einrichtung,
bei welcher die Wellenfelder beider Objektzustände mittels dreier Hologramme und
dreier diese beaufschlagender, zueinander paralleler Referenzwellen holographisch
gespeichert sind, Fig.4 eine Einrichtung, bei welcher das Objekt mit vier Beleuchtungswellen
und einer Referenzwelle holographisch gespeichert wird, und das Interferogramm dann
durch Ueberlagerung der am Objekt in seinem zweiten Zustand gestreuten Wellenfelder
mit den holographisch rekonstruierten Wellenfeldern des ersten Objektzustandes in
Echtzeit erzeugt wird, wobei Objektdeformatio a n allen Koordinatenrichtungen erfasst
werden, Fig.5 eine Einrichtung, bei welcher das Speckle-Muster des ersten Objektzustandes
photographisch auf einem
Photonegativ aufgezeichnet wird, welches
bei der Erzeugung des Interferogrammes dann in die Bildebene des zweiten Objektzustandes
repositioniert wird, Fig.6 eine Einrichtung, bei welcher ein Interferogramm mittels
Moiré-Technik erzeugt wird, Fig.7 den optoelektronischen Teil einer Einrichtung
nach der Erfindung zur Bildung der ersten Ableitungen, und Fig.8 den optoelektronischen
Teil einer Einrichtung nach der Erfindung zur Bildung der zweiten Ableitungen.
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In Fig. la) ist die holographische Speicherung des Objektzustandes
Ol vor der Deformation mit der Referenzwelle R(#0) und den Beleuchtungswellen B1Cco0)
) und B2(#0) auf einem Hologramm H dargestellt. Unter "Hologramm" wird ein Substrat
verstanden, auf welchem optische Wellenfelder nach Amplitude und Phase, also "holographisch",
gespeichert werden können. Es kann sich dabei um eine Photoplatte, einen lichtempfindlichen
Film, thermoplastisches Material u.dgl. handeln. Die Beleuchtungswellen B1(#0)
und
B2(GJo) fallen beide unter dem gleichen Einfallswinkel oc zur Oberflächennormalen,
die im wesentlichen mit der Beobachtungsrichtung übereinstimmt, auf die Objektoberfläche.
Das Wellenfeld der am Objekt gestreuten Beleuchtungswelle B1(> O) ist mit B1
(1) ( (#0) bezeichnet, und das der am Objekt gestreuten Beleuchtungswele B2(#0)
mit B2(1)(#0). Alle Wellen haben dieselbe optische Frequenz #0 .
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In Fig. lb) ist das wie in Fig. la) dargestellt belichtete und danach
entwickelte Hologramm H bzgl. des Objektes, der Referenzwelle R (Wo) und der Beleuchtungswellen
B1(#1) und B2(co2) räumlich identisch angeordnet wie in Fig. la). Jedoch weisen
die Beleuchtungswellen hier die Frequenzen 1 und (#2) auf, und befindet sich das
Objekt in seinem Zustand °2 d.h. es ist deformiert.
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Damit ergeben sich hinter dem Hologramm H die durch die Referenzwelle
R CW o rekonstruierten Wellenfelder B1(1)(#0) und B2(1)(#0) des ersten Objektzustandes
O1 mit der Frequenz #0, und gleichzeitig die durch die Streuung der Bleuchtungswellen
B1(#1) und B2(#2) entstandenen Wellenfelder B1(2)(#1) und B2(2)(#2) des Objektzustandes
02.
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Die sich überlagernden vier Wellenfelder werden mittels der Linse
L in der Bildebene E abgebildet und mit dem optoelektronischen Detektor D abgetastet.
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Wenn nun das Objekt in seinem Zustand °2 gegenüber dem Zustand Ol
Deformationen aufweist, d.h. Auslenkungen mit Komponenten in x- oder z-Richtung
vorhanden sind, so ergibt sich für das Wellenfeld B1( ) gegenüber dem Wellenfeld
B1(1) eine Phasenverschiebung = k [sinα #x + (1 + cosα) #z] und für
das Wellenfeld B2(2) gegenüber dem Wellenfeld B2(1) eine Phaseverschiebung ##2 =
k[-sinα#x + (1 + cosα) #z] wobei k = 2 #/# mit 1= Lichtwellenlänge,
α= Einfallswinkel, nx = Auslenkung in x-Richtung und Auslenkung in z-Richtung.
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Auslenkungen in y-Richtung bewirken keine Phasenverschiebungsn.
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In Punkt P der Bildebene E ergibt sich dann für die zeitabhängige
Lichtintensität in dem -Interferenzmuster die Formel:
Wie ersichtlich, liefert die Phase #n bei der Frequenz
des Wechselsignals I (P,t) die Komponente der Objektauslenkung in z-, d.h. Normal-Richtung,
und die Phase 9 p bei der Frequenz
die Komponente der Objektauslenkung in x-Richtung, d.h. in der Ebene der Objektoberfläche.
Bzgl. Verschiebungen der Objektoberfläche in der y-Richtung enthält das Signal keine
Informationen.
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Das Signal I (P,t) wird nun in den Punkten P1 und P2 der Bildebene
E von den Messfühlern F1 und F2, beispielsweise Photodioden, detektiert und in dem
Detektor D nach den Frequenzen
getrennt und nach den Phasen #n,p (P1) und #n,p CP2) analysiert.
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Die Trennung nach den genannten Frequenzen kann in dem Hochfrequenztechniker
geläufiger Weise z.B. durch Filter geschehen, die Phasenmessung erfolgt z.B. mit
einem bekannten Phasenmeter. Zur leichten Trennung sollte #1 + #2 mehr als etwa
lOmal so gross wie #1 - -2 sein Sodann werden die Differenzen (#n(P1) - #n(P2))
und (#p(P1) #p(P2)) gebildet. Hält man F1 ortsfest, sodass P1 die Referenzphase
liefert, und tastet man mit F2 das Interferenzmuster in der Bildebene E ab, so erhält
man auf diese Weise schnell, einfach und genau ein Bild der Normal-und Parallel-Auslenkungen
des Objektes. Das Phasenmeter wird dabei vorzugsweise auch Perioden 2 t zählen,
da die Abtastung ja über mehrere Streifen erfolgt.
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In Fig. 2a) wird zunächst der Objektzustand o1 genau wie in Fig. la)
holographisch gespeichert.
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In Fig. 2b) wird dann jedoch auch der Objektzustand O2 auf demselben
Substrat H wie in Fig. 2a) holographisch gespeichert. Es müssen hier zwei Referenzwellen
R1(#0) und R2(coo) verwendet werden, die derart zueinander geneigt sind, dass die
Wellenfelder B1( (2)(#0) und B2(2)(#0) unabhängig voneinander rekonstruierbar sind.
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Alle Wellenfelder haben dieselbe Frequenz coO.
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Das Interferogramm wird dann wie in Fig. 2c) erzeugt: Die Wellenfelder
Bltl) und B(-1) des ersten Objektzustandes o1 werden durch die Referenzwelle R (cJO)
mit der Frequenz w0 rekonstruiert. Das Wellenfeld B1(2)(#1) wird durch die Referenzwelle
R1(#1) mit der Frequenz U1 rekonstruiert. Das Wellenfend B2(2)(#2) wird durch die
Referenzwelle R2(co2) mit der Frequenz #2 rekonstruiert.
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Die Weiterverarbeitung dieser Wellenfelder, insbesondere die Auswertung
des Interferenzmusters, geschieht dann wie in Fig.l.
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Als Besonderheit ist bei dieser Ausführungsform jedoch anzumerken,
dass die Referenzwellen R, R1 und R2 bei Speicherung und Rekonstruktion so zueinander
geneigt sein müssen, dass bei der Erzeugung des Interferogrammes die Raumfrequenzbänder
der Wellenfelder B1(1)(#0),
B2(1)(#0), B1(2)(#1) und B2(2)(#2)
räumlich getrennt sind von den Raumfrequenzbändern der Referenzwellen R (#0), R1
(#1) und R2 (#2) undder (nicht gezeichneten) konjugierten Wellen und Kreuzmodulationsterme.
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Fig.3 zeigt eine Variante der in Fig.2 dargestellten Ausführungsform.
Statt dreier zueinander geneigter Referenzwellen können hier parallele Referenzwellen
R, R1> R2 verwendet werden, wobei jedoch drei Hologramme H!, H2, H3 vorgesehen
sein müssen.
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Die Speicherung verläuft gemäss Fig. 3a) so, dass zuerst das Objekt
in seinem Zustand O1 mit den Beleuchtungswellen B1 (#0) und B2 (#0) und der Referenzwelle
R auf dem Hologramm H1 holographisch gespeichert wird.
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Die Referenzwellen R1 und R2 sind zu dieser Zeit abgeblendet.
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Dann wird das Objekt in seinen Zustand 02 gebracht und zunächst mit
der räumlich unveränderten Welle B1 (#0) beleuchtet. Gleichzeitig wird das Hologramm
H2 mit der Referenzwelle R1 (w0) ) beaufschlagt. Die Wellen B2, R und R2 bleiben
abgeblendet,
Schliesslich wird das Objekt in seinem Zustand 02
noch mit der Beleuchtungswelle B2 (cuO) und das Hologramm H3 mit der Referenzwelle
R2 (wo) beaufschlagt, wobei B1, R und R1 abgeblendet sind.
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Für die Erzeugung des Interferogrammes werden die drei Hologramme
H1, 112, h3 räumlich identisch mit den Referenzwellen R> R1, R2 beaufschlagt,
wobei jedoch jetzt nur noch R die Frequenz #0 aufweistr Rl aber die Frequenz #1
und R2 die Frequenz 2 besitzt.
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Es ergeben sich in der Beobachtungsebene E die gleichen Wellenfelder
bzw. das gleiche Interferogramm wie bei Fig.2.
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Das Objekt muss bei Aufnahme und Rekonstruktion gleichzeitig, durch
alle drei Hologramme hindurch zu beobachten sein.
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Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der in Fig.2 liegt u.a. darin,
dass der Störung des Interferogrammes durch die konjugierten Wellen usw. keine besondere
Aufmerksamkeit geschenkt werden muss, und auch
der Aufbau der Anordnung
recht unkritisch ist, da die Referenzwellen R, R1 und R2 ja demselben Paralielstrahlenbündel
mittels Blenden u. dgl. in einfacher Weise entnommen werden können.
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In Fig.4 wird das Objekt mit vier Beleuchtungswellen B1, B2, B3 und
B4 beleuchtet. Die zwei Beleuchtungswellen B1 und B2 liegen, wie in den vorhergehenden
Figuren, in der x-z-Ebene. Die Wellen 33 und B4 liegen in der y-z-Ebene.
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Die Wellen B1 und B2 fallen unter dem Einfallswinkel α, die
Wellen B3 und 34 unter dem Einfallswinkel ft ein.
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Vorzugsweise ist α = ß. Die pauschal mit B' bezeich neten gestreuten
Wellenfelder werden mit Hilfe der Referenzwelle R (#0) auf dem Hologramm H gespeichert
und rekonstruiert.
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Es wird zunächst der Zustand O1 des Objektes auf dem Hologramm H gespeichert.
Dabei haben alle Wellen B1 bis B4 und auch R die Frequenz#0.
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Dann wird das Hologramm H entwickelt und repositioniert, und das Objekt
in seinen Zustand °2 gebracht. Objekt und Hologramm
werden räumlich
identisch von den Wellen B1 bis B4 und R beaufschlagt wie beider Speicherung, jedoch
haben jetzt die Wellen B1 bis B4 die voneinander verschiedenen optischen Frequenz
#1 bis #4. Nur R hat wieder die Frequenz #0.
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Bei einer Abbildung der sich überlagernden, in Richtung B' laufenden
Wellenfelder wie in Fig.l ergibt sich an einem Ort P der Bildebene E dann folgendes
Signal:
wenn, sinngemäss wie bei Fig. 1, #1=#0+#1, ...., #4 ist.
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Die Phase #z in diesem Signal gibt die Lage des beobachteten Punktes
in z - Richtung an, die Phase #x in x -Richtung und die Phase wy in y - Richtung.
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y Wiederum können die einzelnen Terme des Signals in dem
Hochfrequenztechniker
geläufiger Weise elektronisch einfach, z .3. durch Filter und Frequenzweichen, getrennt
und demoduliert werden.
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In einer Ausführung nach Fig. 4 kann die Bewegung eines Objektpunktes
also in allen drei Koordinatenrichtungen beobachtet werden. Dazu sei nochmal bemerkt,
dass die Auflösung bei #/100, also z.B. 1/100 µm liegt.
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In Fig. 5a) wird das Objekt im Zustand O1 wiederum mit den zwei symmetrischen,
ebenen Beleuchtungswellen B1( o und B2( xo) der Frequenz #0 beleuchtet. Diesmal
wird jedoch von dem derart beleuchteten Objekt 1 mittels der Linse L1 auf dem Photonegativ
N geometrisch-optisch ein Bild erzeugt, und das Photonegativ N anschliessend entwickelt.
Auf dem Photonegativ N ist dann das sich aus den Wellenfeldern B1(1)(#0) und B2(1)(#0)
ergebende Speckle-Muster des Objektes O1 negativ fixiert.
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Nach dem Entwickeln wird das Photonegativ N bzgl. des Objektes in
dieselbe räumliche Lage repositioniert, das Objekt in den Zustand O2 verbracht und
mit den Beleuchtungswellen B1 und B2 wie in Fig. 5a) beleuchtet, wobei und B2 jedoch
jetzt die Frequenz #1 und Co2 haben, und
das Photonegativ N mit
der Linse L2 in die Bildebene E abgebildet wird. Die Bildebene E wird wieder mit
einem optoelektronischen Detektor D der oben beschriebenen Art abgetastet.
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Die Transmission T des entwickelten, wie in Fig. 5a) belichteten Photonegativs
N ist proportional der Belichtungsintensität, d. h.
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T = 1 - m exp i (#0t + 1) + exp i (#0t + zwei 2 Dabei ist m eine Apparatekonstante
< @4. ist die Phase des Wellenfeldes B1 (1) (#0) nach Streuung der Beleuchtungswelle
B1 (#0) am Objekt 01, 2 die Phase des Wellenfeldes B2(1) (#0) nach Streuung der
Beleuchtungswelle B2(#0) an dem Objekt 01.
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Die Beleuchtung des Objektes O2 gemäss Fig.5b) bewirkt die Abbildung
der Wellenfelder B1(2) (#1) und B2 (2) ( auf das Photonegativ N. Dadurch ergibt
sich in der Bildebene E eine zeit- und ortsabhängige Intensitätsverteilung I (P,t)
= 2 - m {4 + 4 cos [(#1 - #2) t + k sin # #x] = 2 - m {{4 + 4 cos [(#1 - #2) t +
#p(P)]}
Durch photoelektrische Detektion ergibt sich also ein Wechselsignal
der Frequenz Q2' dessen Phase #p(P) proportional ist der Auslenkung Ax in der Objektebene.
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Eine Information über Auslenkungen Az senkrecht zur Objektoberfläche
ist in diesem Signal nicht mehr enthalten.
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Die Auswertung des Interferenzmusters in der Bildebene E erfolgt wie
bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, wenn man von der fehlenden
Information über Normalauslenkungen absieht.
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Die Interferenzstreifen des Interferogrammes, d.h. die Orte gleicher
Phase in der Bildebene E, entsprechen den in Optical Instruments and Techniques,
a.a.O., beschriebenen Streifen gleicher Verschiebung der Objektoberfläche, die jedoch
in der Ausführungsform nach Fig.5 nicht stationär sind, sondern über das Bild der
Oberfläche wandern.
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Aehnlich wie in Fig.4 kann man auch bei dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 5 das Objekt mit vier zueinander geneigten, paarweise in der x - z - Ebene
und der y - z -Ebene liegenden Beleuchtungswellen B1 ... B4 beaufschlagen. Die Prozedur
läuft genau wie zu Fig.5 beschrieben
ab, wobei bei der Erzeugung
des Interferogrammes die Wellen B1 ... B4 die voneinander verschiedenen Frequenzen
GJ1 .#4 haben In der Bildebene E ergibt sich dann im Punkt P ein Wechselsignal:
Dabei ist DC ein Gleichstromterm, Fx und wo sind nur von den Deformationen in x
- oder y - Richtung abhängige Phasen, und #x,y ist eine Phase, welche sowohl von
der Deformation in x - als auch in y - Richtung abhängig ist.
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Das Signal enthält also Informationen über die Objektdeformationen
in der x - und y - Richtung. Deformationen in z - Richtung treten in diesem Signal
nicht auf.
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Die Auswertung des Signals geschieht zweckmässig so, dass man den
1., 4. und 5. Term wegfiltert, und den 2. und 3. Term getrennt verarbeitet.
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In Fig. 6a) ist die Objekt oberfläche im Zustand Ol mit einer lichtempfindlichen
Schicht S versehen. Diese wird
analog zu den vorher beschriebenen
Beispielen wieder mit zwei symmetrischen, ebenen Beleuchtungswellen (1(#0) und B2(oSo)
der FrequenzCMO beleuchtet. Es ergibt sich also wieder ein Interferenzgitter sehr
kleiner Gitterkonstante (etwa 1 #) Nach der Belichtung wird die Schicht S entwickelt,
zweckmässigerweise ohne von der Objektoberfläche entfernt zu werden. Die entwickelte
Schicht ist mit S' bezeichnet.
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Das Objekt wird dann in seinen Zustand O2 verbracht.
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Anschliessend erfolgt eine Beleuchtung mit zwei Wellen B1 (#1) und
B2(#2), die räumlich identisch sind mit den Wellen B1(G)O) und B2(#0) aus Fig. 6a),
die jedoch jetzt die Frequenz #1 und #2 aufweisen. Durch die Ueberlagerung des durch
die Entwicklung der Schicht S erzeugten Gitters mit dem durch die Beleuchtung mit
B1(#1) und B2(#2) erzeugten Gitter und die Objektdeformation entstehen jetzt durch
Abbildung mittels der Linse L in der Bildebene E Moire-Streifen. Sie ergeben ein
Mass für die Objektdeformation. Es können jedoch wiederum nur solche Objektauslenkungen
beobachtet werden, die parallel zur Objektoberfläche erfolgen, oder genauer: senkrecht
zur Winkelhalbierenden der Beleuchtungsrichtungen in der Ebene der Beleuchtungsrichtungen.
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Dadurch, dass die Wellen B1 und B2 die verschiedenen Frequnenzen #1
und #2 haben, läuft das durch die Wellen B1(G)1) und B2CG)2) erzeugte Gitter über
die Oberfläche dahin, sodass auch die Moire-Streifen, die sich in der Bildebene
E durch Abbildung der Wellenfelder B1 C2),(l) und B2 (2), (#2) ergeben, nicht mehr
stationär sind.
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Vielmehr wandern auch diese infolge der Differenzfrequenz.
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Die Phasen der an den Messfühlern F1 und F2 in den Punkten P1 und
P2 entstehenden Wechselsignale liefern dann wieder das Mass für die Komponente der
Objektauslenkung, die in der Ebene der Objekt oberfläche liegt.
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Bei allen vorstehend beschriebenen Beispielen und auch ganz allgemein
im Rahmen der Erfindung ist es zweckmässig, das Objekt im wesentlichen senkrecht
zu seiner Oberfläche zu beobachten, so dass auch die Beleuchtungswellen B1 und B2
symmetrisch zur Oberfläche einfallen. Denn in der Oberflächenebene werden nur solche
Auslenkungskomponenten registriert, die senkrecht zur Winkelhalbierenden der Beleuchtungswellen
B1 und B2 bzw. B3 und B4 liegen. Da gemäss der Erfindung vorwiegend Objektdehnungen
gemessen werden sollen, sollte die Objektoberfläche also senkrecht zur besagten
Winkelhalbierenden liegen.
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Die Einfallswinkelαbzw.ß der Beleuchtungswellen B1 und B2 liegen
vorteilhaft etwa zwischen 100 und 600..
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Die Frequenzen ...#4,#0,#1 ...X24 sind typisch:
20 kHz, #3 = kHz, #4 = 30 kHz.
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Während der optoelektronische Detektor D in den Fig.
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1 bis 6 nur zwei Messfühler F1 und F2 umfasst, von denen der ortsfeste
Messfühler F1 die Referenzphase für das Phasenmeter PM liefert und der in der Bildebene
E bewegbare Messfühler F2 das Interferenzmuster der überlagerten Objektzustände
O1 und O2 abtastet, umfasst der optoelektronische Detektor D' in Fig.7 drei Messfühler
F1', F2 und F3. Diese sind auf einem rechten Winkel in der Bildebene E angeordnet,
dessen Schenkel parallel zu den Ortskoordinaten #, # liegen, die die Bildebebne
E aufspannen.
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F1' liegt im Scneitel des rechten Winkels, F2T und F3' liegen auf
den Schenkeln des rechten Winkels im Abstand d von F1'. Mittels der zwei Phasenmeter
PM 1 und PM2 werden die Phasendifferenzen zwischen F2' und F1' und F3' und F1' gemessen,
d.h. die Unterschiede der Auslenkungen an den Orten # + d,+(F2') und #, # - d (F3')
gegenüber # , # (F1').
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Durch Trennung nach den Frequenzen und Differenzbildung der zu derselben
Koordinatenrichtung gehörenden Phasen können auf diese Weise einfach und schnell
beispielsweise in einer nachgeschalteten Rechnerstufe C die ersten Ableitungen bestimmt
werden.
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Betrachtet man zum Beispiel Objektdeformationen in x -Richtung, und
ist die erste Ableitung in r)- Richtung zu bilden, so ergibt sich:
Entsprechend können Ableitungen von Deformationen in y -oder z - Richtung in oder
y - Richtung gebildet werden.
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Mit einer Detektorkonfiguration wie in Fig.8 können die 2. Ableitungen
gebildet werden. Beispielsweise gilt:
Die anderen Ableitungen ergeben sich wieder entsprechend.
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Es sind aber selbstverständlich auch noch andere Konfigurationen der
Messfühler möglich. Auch dieBewegungsart solcher Konfigurationen kann variieren,
z.B.
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kann eine Drehbewegung in der Ebene E erfolgen.
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Der Abstand d der Messfühler soll klein sein gegen die Abmessungen
des Objektes, so dass die engste Umgebung eines beliebigen Objektpunktes P beobachtet
werden kann.
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Insbesondere ist d zweckmEssigerweise so zu wählen, dass
Die Erfindung hat sich in der Praxis als wesentliches Hilfsmittel in der Messtechnik
für Deformationen und Oberflächendehnungen mechanischer Apparate und Maschinen erwiesen.